Переход от хрупкого разрушения к вязкому

Для некоторых металлов характерно хрупкое разрушение. Для дру­гих оно не наблюдается. Один и тот же металл может разрушаться в зависимости от условий и хрупко, и вязко. Скол как разновидность хрупкого разрушения характерен главным образом для низких тем­ператур. Возможность такого типа разрушения исключается при достаточно высокой температуре деформации. Таким образом, про­исходит переход от хрупкого к вязкому состоянию, который обычно осуществляется в очень узком температурном интервале. За темпе­ратуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению принимают ка­кую-либо заранее оговоренную температуру в интервале перехода. При температуре перехода энергия, необходимая для разрушения образца, резко уменьшается (рис. 227). Температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению не является постоянной для каж­дого данного металла. Она чувствительна к ряду параметров, наибо­лее важными из которых являются степень чистоты металла и величины зерна, зависимые от процесса выплавки и режима термической обработки.

Рис. 227. Переход из пластичного состояния в хрупкое при ударных испытани­ях стали с 0,12 % С высокой чистоты в зависимости от режимов термической обработки:

1 - закалка с 950 °С в воде; 2 - закалка с 950 °С в воде + охлаждение в печи с 700°С; 3 - охлаждение на воздухе с 950 °С; 4 - охлаждение в печи с 950 °С; 5 - охлаждение в печи с 950 °С + закалка с 700 °С в воде

Появление хрупкого разрушения наблюдается у металлов и сплавов с о.ц.к. решеткой и проявляется особенно заметно в при­сутствии примесей, образующих твердые растворы внедрения. Со­держание всего нескольких атомов углерода в а - железе на один миллион атомов железа обусловливает переход от вязкого состояния в хрупкое. Снижение зонной очисткой содержания углерода приво­дит к существенному увеличению пластичности железа (поперечное сужение до 90%) даже при температурах, лежащих вблизи 4,2 К.

Металлы, имеющие о. ц. к. решетку, группы V1А (вольфрам, мо­либден и хром) более подвержены хрупкому разрушению, чем ме­таллы группы VА, и имеют более высокие температуры перехода, например для вольфрама 200—400° С. Однако если указанные метал­лы имеют меньшую степень чистоты, то происходит хрупкое разру­шение по границам зерен (межзеренное разрушение). По мере уве­личения степени чистоты, достигаемой зонной очисткой, вид разру­шения изменяется. При этом разрушение становится внутризеренным и происходит для вольфрама и молибдена по плоскостям {001} и определяется в первую очередь величиной поверхностной энергии, которая согласно модифицированному выражению Гриффитса (160) и (161) может составлять значительную часть полной энергии. Од­нако при большем содержании примесей поверхности скола совпа­дают с границами зерен, так как сегрегация примесей понижает поверхностную энергию, т.е. . Поверхностная энергия , требуемая для разрушения, уменьшается на величину энергии границ зерен . Кроме того, значение уменьшается благодаря присутствию примесей, так как () границ < () {001}. В результа­те разрушение становится межзеренным. Примером такого перехо­да от внутризеренного к межзерепному хрупкому разрушению (вследствие появления сегрегации примесей по границам зерен) яв­ляется охрупчивание железа при малых концентрациях фосфора и кислорода.

Основная роль внедренных атомов примесей заключается в том, что в их присутствии происходит сильное блокирование дислока­ций, благоприятствующее образованию дислокационных скоплений и формированию таким образом зародышей трещин.

По мере понижения температуры предел текучести резко воз­растает, так как величина силы Пайерлса — Набарро в о.ц.к. ме­таллах сильно зависит от температуры. Если критическое напряже­ние течения становится достаточно большим, то развивающееся при этом двойникование создает благоприятные условия для зарождения трещин по одному из механизмов, предусматривающих наличие двойников (см. рис. 225, г, д).

Ранее было отмечено, что с ростом длины трещины согласно формуле Гриффитса требуемое для распространения ее напряжение уменьшается. Если это напряжение остается постоянным, то с уве­личением длины трещины увеличивается скорость ее распростране­ния. Эта предельная скорость находится в интервале 0,4—0,5 ско­рости звука, т. е. хрупкое разрушение развивается катастрофически быстро.

В инженерной практике хрупкое разрушение наблюдается доста­точно часто. Например, из пяти тысяч цельносварных грузовых су­дов типа «Либерти», построенных во время второй мировой войны в США за период с 1943 по 1946 г., около 1500 вышло из строя из-за хрупкого разрушения. Девятнадцать судов развалились попо­лам совершенно неожиданно, одно из них на верфи по окончании сдаточных испытаний. Указанные поломки происходили в зимнее время при температуре ниже 0°С. Приведенный пример свидетельст­вует об исключительной важности проблемы хрупкого разрушения.